基于有限元的雙晶片式壓電微夾鉗的設(shè)計【開題報告+文獻綜述+畢業(yè)設(shè)計】

1、<p><b>　　畢業(yè)論文開題報告</b></p><p>　　機械設(shè)計制造及其自動化</p><p>　　基于有限元的雙晶片式壓電微夾鉗的設(shè)計</p><p>　　一、選題的背景與意義</p><p>　　微夾鉗具有鉗指張合量與夾持力準確，控制系統(tǒng)簡單，可靠性高的優(yōu)點。高精端行業(yè)（如航空航天、生物技術(shù)等）中

2、，傳統(tǒng)的夾持裝置難以滿足其研發(fā)、生產(chǎn)需要，此時，微夾鉗成了必需品。</p><p>　　壓電式微夾鉗由于壓電陶瓷執(zhí)行器具有體積小、剛度大、不發(fā)熱、無噪聲等優(yōu)點，可應(yīng)用于微操作、微裝配領(lǐng)域，其可以作為微操作機器人的手臂，具有高精確度的特征，可廣泛的應(yīng)用于各種高精端行業(yè)的產(chǎn)品生產(chǎn)過程中。壓電式微夾鉗按結(jié)構(gòu)方式可分為柔性鉸鏈式和雙晶片式兩種，柔性鉸鏈式壓電微夾鉗夾持力大，而雙晶片式壓電微夾鉗張合量大，但是目前這兩種微夾

3、鉗都存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜、電極線引出不方便等不足。</p><p>　　在當今對微夾持技術(shù)高需求的情況下，設(shè)計結(jié)構(gòu)簡單、便于電極線引出的微夾鉗，必能推動微夾鉗技術(shù)的發(fā)展，為科技研發(fā)、產(chǎn)品生產(chǎn)的進步做出貢獻。</p><p>　　二、研究的基本內(nèi)容與擬解決的主要問題</p><p>　　2.1研究的基本內(nèi)容</p><p>　　利用壓電陶瓷晶片，根據(jù)逆

4、壓電效應(yīng)和懸臂梁理論，采用有限元分析法設(shè)計一種由壓電陶瓷執(zhí)行器驅(qū)動的、張合量為250 µm的雙晶片式壓電陶瓷微夾鉗。并要求該微夾鉗具有結(jié)構(gòu)簡單，便于電極線引出的優(yōu)點。通過該設(shè)計，了解壓電微夾鉗的應(yīng)用領(lǐng)域，掌握雙晶片式壓電微夾鉗的設(shè)計過程，進而掌握零、部件的一般設(shè)計過程。</p><p>　　2.２擬解決的主要問題</p><p>　　1）設(shè)計壓電微夾鉗的結(jié)構(gòu)，保證其結(jié)構(gòu)簡單，且便

5、于電極線引出；</p><p>　　2）根據(jù)設(shè)計的結(jié)構(gòu)，確定各零件的幾何尺寸；</p><p>　　3）基于所確定的微夾鉗的幾何尺寸，采用有限元分析法，確定微夾鉗的張合量同驅(qū)動電壓的關(guān)系、夾持力同張合量的關(guān)系以及最大夾持重量；</p><p>　　三、研究的方法與技術(shù)路線</p><p>　　在查閱國內(nèi)外大量文獻后，根據(jù)任務(wù)書要求，對微夾鉗進

6、行造型設(shè)計，根據(jù)結(jié)果設(shè)計微夾鉗結(jié)構(gòu)參數(shù)，然后在Pro/E中建模，并將模型調(diào)入有限元分析軟件（ＡＮＳＹＳ）中進行有限元分析，結(jié)合解析法，得出微夾鉗的張合量同驅(qū)動電壓的關(guān)系、夾持力同張合量的關(guān)系以及最大夾持重量。其技術(shù)路線如下圖所示：</p><p>　　四、研究的總體安排與進度</p><p>　　第1~4周：查閱文獻，完成外文翻譯、文獻綜述和開題報告；</p><p&g

7、t;　　第5~6周：確定壓電微夾鉗的材料、結(jié)構(gòu)形式以及幾何尺寸；</p><p>　　第7~11周：基于壓電陶瓷雙晶片執(zhí)行器，采用有限元分析法，確定微夾鉗張合量同驅(qū)動電壓的關(guān)系、夾持力同張合量的關(guān)系以及最大夾持重量；</p><p>　　第12周：繪制微夾鉗的三維造型圖、裝配圖與零件圖；</p><p>　　第13周：撰寫畢業(yè)論文。</p><p

8、><b>　　參考文獻</b></p><p>　　孟中巖, 曹長江等.梯度功能壓電陶瓷微夾鉗的設(shè)計和操作原理[J]. 上海交通大學(xué)學(xué)報, 2002, 36(5): 620-623.</p><p>　　榮偉彬, 謝暉, 孫立寧, 莊攀峰. 面向MEMS微裝配的夾持器的設(shè)計和實驗研究[J].機械設(shè)計與研究, 2005, 21(4): 30-32, 36.<

9、/p><p>　　陳海初, 王振華, 李滿天, 孫立寧. 兩級位移放大微夾持器的研究[J].壓電與聲光, 2005, 27(3): 300-302.</p><p>　　雷志剛, 黃心漢. 機器人壓電陶瓷微操作手的設(shè)計[J].兵工自動化, 2004, 23(2): 21-22, 35.</p><p>　　于杰, 付建軍. 基于微系統(tǒng)技術(shù)的一種新型夾具[J].航天制造技

10、術(shù), 2002(6): 18-20.</p><p>　　尹燕麗, 陳海龔等. 毫米級微型機器人操作手的研制和操作特性[J]. 光學(xué)精密工程, 2001, 9(6): 531-534.</p><p>　　王代華, 楊群. 一種壓電致動微夾鉗及其開環(huán)位移特性[J]. 納米技術(shù)與精密工程, 2010(1): 47-53.</p><p>　　陳海初. 壓電陶瓷驅(qū)動球基

11、微驅(qū)動器的動力學(xué)研究[J]. 光學(xué)精密工程, 2007, 15(2): 248-253.</p><p>　　蔡建華, 黃心漢, 呂遐東, 王敏. 一種集成微力檢測的壓電式微夾鉗[J].機器人, 2006, 28(1): 59-64.</p><p>　　陳國良, 黃心漢, 王敏. 面向微裝配的壓電陶瓷微夾鉗建模與控制[J].高技術(shù)通訊, 2006, 16(11): 1134-1138.&

12、lt;/p><p>　　S.K. Nah, Z.W. Zhong. A microgripper using piezoelectricbactuation for micro-object manipulation[J]. Sensors and Actuators , 2007, A133: 218–224.</p><p>　　D.-H. Kim, B. Kim, H. Kang. De

13、velopment of a piezoelectric polymer-based sensorized microgripper for microassembly and micromanipulation[J]. Microsystem Technologies, 2004, 10: 275–280.</p><p>　　J. Cecil, N. Gobinath. Development of a vi

14、rtual and physical work cell to assemble micro-devices. Robotics and Computer-Integrated Manufacturing[J], 2005, 11: 431–441.</p><p>　　Zhe Lu, Peter C. Y. Chen, and Wei Lin, Force Sensing and Control in Micr

15、omanipulation [J]. APPLICATIONS AND REVIEWS, 2006, 11(6): 36.</p><p>　　M C Carrozzay, A Menciassi, G Tiezzi and P Dario. The development of a LIGA-microfabricated gripper for micromanipulation tasks[J]. Micr

16、omech. Microeng. 1988, 8: 141–143.</p><p><b>　　畢業(yè)論文文獻綜述</b></p><p>　　機械設(shè)計制造及其自動化</p><p>　　基于有限元的雙晶片式壓電微夾鉗的設(shè)計</p><p>　　微執(zhí)行機構(gòu)的典型之一是微夾鉗，它在微機械零件加工、微機械裝配和生物工程等方面

17、都有較好的應(yīng)用前景，近來發(fā)展十分迅速。微夾鉗是一種行程小(一般小于毫米級)、精度高(亞微米、納米級) 和分辨率高的微位移夾持機構(gòu)，它是精密機械和精密儀器的常用裝配工具之一?？梢哉f，微夾鉗是微機電系統(tǒng)領(lǐng)域中的一個關(guān)鍵器件，在微操作、微裝配中起著舉足輕重的作用。微夾鉗的本質(zhì)就是一個微執(zhí)行器,它能夠?qū)⑵渌哪芰哭D(zhuǎn)換成機械能,產(chǎn)生需要的夾持動作和夾持力。</p><p>　　微夾鉗是MEMS（微電子機械系統(tǒng)）中實現(xiàn)微零件

18、裝配、生物醫(yī)學(xué)工程中實現(xiàn)細胞微操作的關(guān)鍵微執(zhí)行器之一。在MEMS領(lǐng)域，微夾鉗同微動平臺相結(jié)合，可對微齒輪、微軸等微零件以及微馬達、微泵等微部件進行拾取、搬運，進而裝配成微部件、微系統(tǒng)；在生物醫(yī)學(xué)工程領(lǐng)域，微夾鉗可用來捕捉和釋放細胞，并且它同微沖擊探針相結(jié)合，還可實現(xiàn)向細胞內(nèi)注入或從細胞中拾取某一成分等微操作過程。目前，MEMS的設(shè)計與制造技術(shù)、生物醫(yī)學(xué)工程中的分析技術(shù)已很成熟，但其微裝配技術(shù)、微操作技術(shù)卻明顯滯后。這一方面，是由于研制、

19、開發(fā)出具有高性能、可實現(xiàn)微裝配與微操作的器件確實較難；另一方面，是由于實現(xiàn)微裝配與微操作的器件價格較高，致使微裝配與微操作的成本也很高，如MEMS中微裝配的成本占MEMS產(chǎn)品的60% ~80%。因此，研制、開發(fā)高性能、低成本的微裝配與微操作器件，如微夾鉗，已成為當前一個非常重要而緊迫的課題。</p><p>　　目前，微夾鉗按驅(qū)動方式可分為：氣壓式、電磁式、電熱式、靜電式和壓電式。相對于氣壓式、電磁式、電熱式、靜

20、電式微夾鉗，壓電式微夾鉗由于壓電陶瓷執(zhí)行器具有體積小、剛度大、不發(fā)熱、無噪聲等優(yōu)點，從而獲得了廣泛的應(yīng)用。</p><p>　　目前國內(nèi)外對微夾鉗的研究，從結(jié)構(gòu)上分有柔性鉸鏈式和單雙晶片式。</p><p><b>　　關(guān)于柔性鉸鏈的有：</b></p><p>　　榮偉彬、謝暉、孫立寧、莊攀峰在《面向MEMS微裝配的夾持器的設(shè)計和實驗研究》中

21、介紹了一種由壓電陶瓷驅(qū)動的用于MEMS微裝配的微夾持器的設(shè)計，計算了夾持器本體的放大倍數(shù)和剛度。并用ANSYS仿真驗證了數(shù)學(xué)計算的準確性。采用了基于視覺的標定方法，標定了微夾持器剛度、張合量、夾持力以及夾持力和張合量的關(guān)系。該微夾持器張合量達280 µ m，夾持力達0.1 N，可精確操作200～2000 µ m的微齒輪，實現(xiàn)了微行星齒輪減速器的裝配[2]。</p><p>　　陳海初，王振華，

22、李滿天，孫立寧在《兩級位移放大微夾持器的研究》中介紹了一種利用堆疊式壓電陶瓷驅(qū)動的具有兩級位移放大的微夾持器。其采用有限元軟件對其進行了張合量、微夾持力的分析，并與實驗研究結(jié)合。該微夾鉗具有約300 µ m的微位移張合量[3]。</p><p>　　于杰 付建軍在《基于微系統(tǒng)技術(shù)的一種新型夾具》中介紹了一種新型的基于微系統(tǒng)技術(shù)的微型夾爪。這種夾爪用硅或玻璃為原材料。其最大的特點是結(jié)合了傳感器性能。該微夾

23、鉗通過在夾緊面上生成感應(yīng)層(如抗壓電層)，使得夾緊力可以轉(zhuǎn)換為一種電信號，從而調(diào)整對物體的抓取過程[5]。</p><p><b>　　關(guān)于單雙晶片的有：</b></p><p>　　陳海，孟中巖，曹長江，張琛在《梯度功能壓電陶瓷微夾鉗的設(shè)計和操作原理》中介紹了一種利用梯度功能壓電執(zhí)行囂設(shè)計和制作的雙懸臂粱結(jié)構(gòu)的微夾鉗。該微夾鉗整體尺寸為15 mm×2 mm

24、×2 mm，質(zhì)量為120 mg。建立了梯度功能壓電陶瓷懸臂梁的雙層復(fù)合梁模型，從該模型和壓電本構(gòu)方程出發(fā)，分析梯度功能壓電陶瓷微夾鉗的操作原理。理論推導(dǎo)了該懸臂梁的微位移特性，由微夾鉗的雙懸臂梁結(jié)構(gòu)，得到微夾鉗的頂端張開量，實際測量了梯度功能壓電微夾鉗的頂端張開量，其實際值與理論推導(dǎo)值有較好的一致性[1]。</p><p>　　雷志剛、黃心漢在《機器人壓電陶瓷微操作手的設(shè)計》中介紹了一種采用壓電伸縮陶瓷

25、微位移器的機器人微操作手。操作手手指由兩面各粘1 片壓電陶瓷晶片的金屬片構(gòu)成壓電陶瓷梁。并通過理論和試驗研究，發(fā)現(xiàn)其實驗所得數(shù)據(jù)與理論數(shù)據(jù)非常接近[4]。</p><p>　　尹燕麗、朱邦太、陳海龔、曹長江在《毫米級微型機器人操作手的研制和操作特性》中闡述了一種采用單晶片型壓電懸臂梁制作了一種雙懸臂梁結(jié)構(gòu)的微型夾持器，用作毫米級微型機器人的微操作手。該微夾持器整體尺寸為15mm×2mm×2mm

26、 重量為100mg。在50V電場下，該微操作手其最大張口距離可以達到4µ m，最大夾持力為25.7×10-3N[6]。</p><p>　　蔡建華，黃心漢，呂遐東，王敏在《一種集成微力檢測的壓電式微夾鉗》中設(shè)計了一種雙懸臂梁結(jié)構(gòu)的壓電雙晶片微夾鉗，該微夾鉗由兩個壓電雙晶片驅(qū)動。建立了壓電雙晶片的復(fù)合梁模型，并對它的微位移——電壓特性、夾持力——應(yīng)變特性進行了數(shù)學(xué)分析。通過檢測懸臂梁根部的應(yīng)變

27、信號實現(xiàn)對微夾鉗夾持力的檢測[9]。</p><p>　　對壓電微夾鉗的分析計算方式上，存在有限元分析法分析和傳統(tǒng)經(jīng)驗公式分析。</p><p>　　利用有限元分析的如榮偉彬、謝暉、孫立寧、莊攀峰在《面向MEMS微裝配的夾持器的設(shè)計和實驗研究》中介紹了一種由壓電陶瓷驅(qū)動的用于MEMS微裝配的微夾持器的設(shè)計，計算了夾持器本體的放大倍數(shù)和剛度，并用ANSYS仿真驗證了數(shù)學(xué)計算的準確性。采用了基

28、于視覺的標定方法，標定了微夾持器剛度、張合量、夾持力以及夾持力和張合量的關(guān)系。該微夾持器張合量達280µ m，夾持力達0.1N，可精確操作200～2000µ m的微齒輪，實現(xiàn)了微行星齒輪減速器的裝配[2]。</p><p>　　利用傳統(tǒng)經(jīng)驗公式的如陳國良、黃心漢、王敏在《面向微裝配的壓電陶瓷微夾鉗建模與控制》中建立了懸臂梁位移與外電場和外力之間的動靜態(tài)模型以及壓電陶瓷遲滯環(huán)Backlash算子

29、模型。其將Backlash算子用于壓電陶瓷的遲滯環(huán)建模，并以遲滯環(huán)逆模型為前饋補償環(huán)節(jié)設(shè)計了壓電陶瓷微夾鉗的前饋加PID反饋的位移復(fù)合控制器，提高了控制精度[10]。</p><p>　　綜上所述，柔性鉸鏈式壓電微夾鉗夾持力大，而雙晶片式壓電微夾鉗張合量大，但是目前這兩種微夾鉗都存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜、電極線引出不方便等不足。有限元方法的運用減少了設(shè)計周期，能模擬各種試驗方案，能節(jié)省成本且增加了其可靠性；而使用傳統(tǒng)經(jīng)驗公式

30、進行分析的方法，設(shè)計過程中的計算較為復(fù)雜，且不能模擬較多的試驗方案。</p><p>　　在國內(nèi)外越來越重視壓電微夾鉗的情況下，未來研究的雙晶片壓電微夾鉗將具有如下特點：（1）構(gòu)件少，便于制造，便于裝配；（2）無需鉸鏈或軸承等運動副，運動和力的傳遞利用組成它的某些或全部構(gòu)件的彈性變形來實現(xiàn)；（3）無摩擦、磨損及傳動間隙，不需潤滑，無效行程小，可實現(xiàn)高精度運動；（4）可存儲彈性能，自身具有回程反力。（5）節(jié)省傳感器

31、,使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊,降低設(shè)計安裝難度。</p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　孟中巖, 曹長江等.梯度功能壓電陶瓷微夾鉗的設(shè)計和操作原理[J]. 上海交通大學(xué)學(xué)報, 2002, 36(5): 620-623.</p><p>　　榮偉彬, 謝暉, 孫立寧, 莊攀峰. 面向MEMS微裝配的夾持器的設(shè)計和實驗研究[J].機

32、械設(shè)計與研究, 2005, 21(4): 30-32, 36.</p><p>　　陳海初, 王振華, 李滿天, 孫立寧. 兩級位移放大微夾持器的研究[J].壓電與聲光, 2005, 27(3): 300-302.</p><p>　　雷志剛, 黃心漢. 機器人壓電陶瓷微操作手的設(shè)計[J].兵工自動化, 2004, 23(2): 21-22, 35.</p><p>

33、;　　于杰, 付建軍. 基于微系統(tǒng)技術(shù)的一種新型夾具[J].航天制造技術(shù), 2002(6): 18-20.</p><p>　　尹燕麗, 陳海龔等. 毫米級微型機器人操作手的研制和操作特性[J]. 光學(xué)精密工程, 2001, 9(6): 531-534.</p><p>　　王代華, 楊群. 一種壓電致動微夾鉗及其開環(huán)位移特性[J]. 納米技術(shù)與精密工程, 2010(1): 47-53.&

34、lt;/p><p>　　陳海初. 壓電陶瓷驅(qū)動球基微驅(qū)動器的動力學(xué)研究[J]. 光學(xué)精密工程, 2007, 15(2): 248-253.</p><p>　　蔡建華, 黃心漢, 呂遐東, 王敏. 一種集成微力檢測的壓電式微夾鉗[J].機器人, 2006, 28(1): 59-64.</p><p>　　陳國良, 黃心漢, 王敏. 面向微裝配的壓電陶瓷微夾鉗建模與控制[

35、J].高技術(shù)通訊, 2006, 16(11): 1134-1138.</p><p>　　S.K. Nah, Z.W. Zhong. A microgripper using piezoelectricbactuation for micro-object manipulation[J]. Sensors and Actuators , 2007, A133: 218–224.</p><p&

36、gt;　　D.-H. Kim, B. Kim, H. Kang. Development of a piezoelectric polymer-based sensorized microgripper for microassembly and micromanipulation[J]. Microsystem Technologies, 2004, 10: 275–280.</p><p>　　J. Ceci

37、l, N. Gobinath. Development of a virtual and physical work cell to assemble micro-devices. Robotics and Computer-Integrated Manufacturing[J], 2005, 11: 431–441.</p><p>　　Zhe Lu, Peter C. Y. Chen, and Wei Lin

38、, Force Sensing and Control in Micromanipulation [J]. APPLICATIONS AND REVIEWS, 2006, 11(6): 36.</p><p>　　M C Carrozzay, A Menciassi, G Tiezzi and P Dario. The development of a LIGA-microfabricated gripper f

39、or micromanipulation tasks[J]. Micromech. Microeng. 1988, 8: 141–143.</p><p><b>　　本科畢業(yè)論文</b></p><p><b>　?。?0 屆）</b></p><p>　　基于有限元的雙晶片式壓電微夾鉗的設(shè)計</p>&

40、lt;p><b>　　摘　要</b></p><p>　　摘要：微夾鉗是微裝配與微操作過程中直接與被操作對象相接觸的末端執(zhí)行器，在微裝配與微操作中的起著決定性作用。本文設(shè)計和使用有限元分析了一種根據(jù)逆壓電效應(yīng)工作的微夾鉗。</p><p>　　應(yīng)用壓電陶瓷材料，利用壓電陶瓷雙晶片懸臂梁結(jié)構(gòu)，設(shè)計了一種結(jié)構(gòu)新穎，夾持效果好，夾持力準確的的壓電微夾鉗。建立雙晶片懸臂

41、梁結(jié)構(gòu)鉗指的有限元模型，運用有限元分析軟件ANSYS中的壓電耦合場分析，對壓電微夾鉗的有限元模型進行靜動態(tài)特性分析。靜態(tài)特性方面，微夾鉗的輸出位移同驅(qū)動電壓之間成線性關(guān)系，在50 V的最大驅(qū)動電壓作用下，最大輸出位移約為250 μm，且最大夾持力為0.625 N；動態(tài)特性方面，分別進行模態(tài)分析、階躍響應(yīng)分析及諧響分析，并得到微夾鉗的固有頻率及響應(yīng)時間分別約為50 Hz和1.3 ms。在其余細節(jié)方面，盡量使用常見材料，如利用紫銅制作鉗指基

42、板，利用45號鋼制作夾板，降低了制作成本。本文提供了一種微型夾具設(shè)計和制造的新途徑，其將在微系統(tǒng)元器件的生產(chǎn)和裝配中發(fā)揮重要的作用，并將推動微夾鉗技術(shù)的發(fā)展，為科技研發(fā)、產(chǎn)品生產(chǎn)的進步做出貢獻。</p><p>　　關(guān)鍵詞：微夾鉗；壓電執(zhí)行器；壓電雙晶片；有限元分析</p><p>　　Abstract：Gripper is an actuator of the end of the as

43、sembly and micro operation process by operating object directly with exposed, which plays a decisive role in the assemble and micro operation. This paper designed and analyzed a gripper according to converse piezoelectri

44、c effect.</p><p>　　This Project uses Piezoelectric ceramic, utilize structure of Piezoelectric bimorphs of cantilever beams, Design a kind of piezoelectric gripper with novel structure, good gripping effect

45、and accurate hold power. By establishing the finite element model of two chips cantilever structure, using the piezoelectric coupling field analysis of ANSYS, the micro piezoelectric clamps of static and dynamic characte

46、ristics of finite element model is analyzed. For the static performance, there is a linear r</p><p>　　Key words：gripper；piezoelectric；bimorphs；Finite element analysis</p><p><b>　　目　錄</b

47、></p><p><b>　　摘　要10</b></p><p><b>　　目　錄12</b></p><p><b>　　1緒論13</b></p><p>　　1.1論文的背景13</p><p>　　1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀1

48、4</p><p>　　1.3論文的主要工作16</p><p>　　2微夾鉗的初始構(gòu)型17</p><p><b>　　3設(shè)計計算18</b></p><p>　　3.1有限元模型18</p><p>　　3.2靜力學(xué)分析19</p><p>　　3.

49、3模態(tài)分析及諧響分析21</p><p>　　3.4階躍響應(yīng)分析22</p><p>　　4微夾鉗的詳細結(jié)構(gòu)23</p><p>　　4.1微夾鉗的結(jié)構(gòu)組成23</p><p>　　4.2微夾鉗主體結(jié)構(gòu)24</p><p>　　4.3微夾鉗各部分細節(jié)25</p><p>

50、　　5結(jié)論與展望26</p><p><b>　　5.1結(jié)論26</b></p><p>　　5.2進一步工作展望26</p><p><b>　　參考文獻27</b></p><p>　　致謝錯誤!未定義書簽。</p><p><b>　　附錄

51、29</b></p><p><b>　　緒論</b></p><p><b>　　論文的背景</b></p><p>　　微執(zhí)行機構(gòu)的典型之一是微夾鉗，它在微機械零件加工、微機械裝配和生物工程等方面都有較好的應(yīng)用前景,近來發(fā)展十分迅速。微夾鉗是一種行程小(一般小于毫米級)、精度高(亞微米、納米級) 和分辨率

52、高的微位移夾持機構(gòu)，它是精密機械和精密儀器的常用裝配工具之一?？梢哉f，微夾鉗是微機電系統(tǒng)領(lǐng)域中的一個關(guān)鍵器件，在微操作、微裝配中起著舉足輕重的作用。微夾鉗的本質(zhì)就是一個微執(zhí)行器，它能夠?qū)⑵渌哪芰哭D(zhuǎn)換成機械能，產(chǎn)生需要的夾持形式和夾持力。</p><p>　　微夾鉗是MEMS（微電子機械系統(tǒng)）中實現(xiàn)微零件裝配、生物醫(yī)學(xué)工程中實現(xiàn)細胞微操作的關(guān)鍵微執(zhí)行器之一。在MEMS領(lǐng)域，微夾鉗同微動平臺相結(jié)合，可對微齒輪、微軸

53、等微零件以及微馬達、微泵等微部件進行拾取、搬運，進而裝配成微部件、微系統(tǒng)；在生物醫(yī)學(xué)工程領(lǐng)域，微夾鉗可用來捕捉和釋放細胞，并且它同微沖擊探針相結(jié)合，還可實現(xiàn)向細胞內(nèi)注入或從細胞中拾取某一成分等微操作過程。目前，MEMS的設(shè)計與制造技術(shù)、生物醫(yī)學(xué)工程中的分析技術(shù)已很成熟, 但其微裝配技術(shù)、微操作技術(shù)卻明顯滯后。這一方面，是由于研制、開發(fā)出具有高性能、可實現(xiàn)微裝配與微操作的器件確實較難；另一方面，是由于實現(xiàn)微裝配與微操作的器件價格較高，致使

54、微裝配與微操作的成本也很高，如MEMS中微裝配的成本占MEMS產(chǎn)品的60% ~80%。因此，研制、開發(fā)高性能、低成本的微裝配與微操作器件，如微夾鉗，已成為當前一個非常重要而緊迫的課題。</p><p>　　目前，微夾鉗按驅(qū)動方式可分為：氣壓式、電磁式、電熱式、靜電式和壓電式。</p><p>　　利用壓電陶瓷晶片的逆壓電效應(yīng)所制作的微夾鉗稱為壓電微夾鉗，壓電微夾鉗具有如下優(yōu)點：1構(gòu)件少，便

55、于制造，便于裝配；2無需鉸鏈或軸承等運動副，運動和力的傳遞利用組成它的某些或全部構(gòu)件的彈性變形來實現(xiàn)；3無摩擦、磨損及傳動間隙，不需潤滑，無效行程小，可實現(xiàn)高精度運動；4可存儲彈性能，自身具有回程反力。并且，壓電微夾鉗采用壓電組件（壓電陶瓷執(zhí)行器）來驅(qū)動，無噪聲且不發(fā)熱，可實現(xiàn)納米級的定位精度和重復(fù)定位精度以及位移分辨率，它的出現(xiàn)開創(chuàng)了精度進入納米級的新時代。</p><p>　　此壓電微夾鉗的設(shè)計必能推動微裝配

56、和微操作領(lǐng)域相關(guān)技術(shù)的發(fā)展。</p><p><b>　　國內(nèi)外研究現(xiàn)狀</b></p><p>　　由于微夾鉗能廣泛應(yīng)用于各類高科技行業(yè)中，故國內(nèi)外學(xué)著對微夾鉗已進行了各類研究。</p><p>　　目前國內(nèi)外對壓電微夾鉗的研究，從結(jié)構(gòu)上分有柔性鉸鏈式和單雙晶片式。</p><p><b>　　關(guān)于柔性鉸鏈的

57、有：</b></p><p>　　榮偉彬、謝暉、孫立寧、莊攀峰在設(shè)計了一種由壓電陶瓷驅(qū)動的用于MEMS微裝配的微夾持器的設(shè)計，如圖1-1，計算了夾持器本體的放大倍數(shù)和剛度。并用ANSYS仿真驗證了數(shù)學(xué)計算的準確性。采用了基于視覺的標定方法，標定了微夾持器剛度、張合量、夾持力以及夾持力和張合量的關(guān)系。該微夾持器張合量達280 µm，夾持力達0.1 N，可精確操作200～2000 µm

58、的微齒輪，實現(xiàn)了微行星齒輪減速器的裝配[2]。 圖1-1 </p><p

59、>　　陳海初，王振華，李滿天，孫立寧在《兩級位移放大微夾持器的研究》中介紹了一種利用堆疊式壓電陶瓷驅(qū)動的具有兩級位移放大的微夾持器，如圖1-2。其采用有限元軟件對其進行了張合量、微夾持力的分析，并與實驗研究結(jié)合。該微夾鉗具有約300 µm的微位移張合量[3]。 圖1-2 兩級位移放大的微夾持器模型</p><p>　　于杰 付建軍在《基于微系統(tǒng)技術(shù)的一種新型夾具》中介紹了一種新型的基于微系統(tǒng)技術(shù)

60、的微型夾爪。這種夾爪用硅或玻璃為原材料。其最大的特點是結(jié)合了傳感器性能。該微夾鉗通過在夾緊面上生成感應(yīng)層(如抗壓電層)，使得夾緊力可以轉(zhuǎn)換為一種電信號，從而調(diào)整對物體的抓取過程[5]。</p><p><b>　　關(guān)于單雙晶片的有：</b></p><p>　　陳海，孟中巖，曹長江，張琛在《梯度功能壓電陶瓷微夾鉗的設(shè)計和操作原理》中介紹了一種利用梯度功能壓電執(zhí)行囂設(shè)計

61、和制作的雙懸臂粱結(jié)構(gòu)的微夾鉗。該微夾鉗整體尺寸為15 mm×2 mm×2 mm，質(zhì)量為120 mg。建立了梯度功能壓電陶瓷懸臂梁的雙層復(fù)合梁模型，從該模型和壓電本構(gòu)方程出發(fā)，分析梯度功能壓電陶瓷微夾鉗的操作原理。理論推導(dǎo)了該懸臂梁的微位移特性，由微夾鉗的雙懸臂梁結(jié)構(gòu)，得到微夾鉗的頂端張開量，實際測量了梯度功能壓電微夾鉗的頂端張開量，其實際值與理論推導(dǎo)值有較好的一致性[1]。</p><p>　

62、　雷志剛、黃心漢在《機器人壓電陶瓷微操作手的設(shè)計》中介紹了一種采用壓電伸縮陶瓷微位移器的機器人微操作手。操作手手指由兩面各粘1 片壓電陶瓷晶片的金屬片構(gòu)成壓電陶瓷梁。并通過理論和試驗研究，發(fā)現(xiàn)其實驗所得數(shù)據(jù)與理論數(shù)據(jù)非常接近[4]。</p><p>　　尹燕麗、朱邦太、陳海龔、曹長江在《毫米級微型機器人操作手的研制和操作特性》中闡述了一種采用單晶片型壓電懸臂梁制作了一種雙懸臂梁結(jié)構(gòu)的微型夾持器，用作毫米級微型機器

63、人的微操作手，如圖1-3。該微夾持器整體尺寸為15 mm×2mm×2mm 重量為100mg。在50V電場下，該微操作手其最大張口距離可以達到4 µ m，最大夾持力為25.7×10-3N[6]。 圖1-3 微夾鉗設(shè)計圖</p><p>　　蔡建華，黃心漢，呂遐東，王敏在《一種集成微力檢測的壓電式微夾鉗》中設(shè)計了一種雙懸臂梁結(jié)構(gòu)的壓電雙晶片微夾鉗，該

64、微夾鉗由兩個壓電雙晶片驅(qū)動。建立了壓電雙晶片的復(fù)合梁模型，并對它的微位移——電壓特性、夾持力——應(yīng)變特性進行了數(shù)學(xué)分析。通過檢測懸臂梁根部的應(yīng)變信號實現(xiàn)對微夾鉗夾持力的檢測[9]。</p><p>　　柔性鉸鏈式壓電微夾鉗夾持力大的優(yōu)點，而雙晶片式壓電微夾鉗具有鉗指張合量大的優(yōu)點，但是目前這兩種微夾鉗都存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜、電極線引出不方便等不足。</p><p>　　從對壓電微夾鉗的分析計算方

65、式上區(qū)分，存在有限元分析法分析和傳統(tǒng)經(jīng)驗公式分析兩種。</p><p>　　利用有限元分析的如榮偉彬、謝暉、孫立寧、莊攀峰在《面向MEMS微裝配的夾持器的設(shè)計和實驗研究》中介紹了一種由壓電陶瓷驅(qū)動的用于MEMS微裝配的微夾持器的設(shè)計，計算了夾持器本體的放大倍數(shù)和剛度，并用ANSYS仿真驗證了數(shù)學(xué)計算的準確性。采用了基于視覺的標定方法，標定了微夾持器剛度、張合量、夾持力以及夾持力和張合量的關(guān)系。該微夾持器張合量達2

66、80 µm，夾持力達0.1 N，可精確操作200～2000 µm的微齒輪，實現(xiàn)了微行星齒輪減速器的裝配[2]。</p><p>　　利用傳統(tǒng)經(jīng)驗公式的如陳國良、黃心漢、王敏在《面向微裝配的壓電陶瓷微夾鉗建模與控制》中建立了懸臂梁位移與外電場和外力之間的動靜態(tài)模型以及壓電陶瓷遲滯環(huán)Backlash算子模型。其將Backlash算子用于壓電陶瓷的遲滯環(huán)建模，并以遲滯環(huán)逆模型為前饋補償環(huán)節(jié)設(shè)計了壓電

67、陶瓷微夾鉗的前饋加PID反饋的位移復(fù)合控制器，提高了控制精度[10]。</p><p>　　有限元方法的運用減少了設(shè)計周期，能模擬各種試驗方案，能節(jié)省成本且增加了其可靠性；而使用傳統(tǒng)經(jīng)驗公式進行分析的方法，設(shè)計過程中的計算較為復(fù)雜，且不能模擬較多的試驗方案。</p><p><b>　　論文的主要工作</b></p><p>　　本項目的主要工

68、作分3個方面，如下：</p><p>　?、賶弘娢A鉗的初始構(gòu)型</p><p>　　此方面根據(jù)所要求達到的性能確定微夾鉗的大致構(gòu)型，為下一步的工作做準備。</p><p><b>　?、谠O(shè)計計算</b></p><p>　　建立單片雙晶片懸臂梁結(jié)構(gòu)的有限元模型，運用ANSYS軟件，對其進行有限元分析，包括靜力學(xué)分析和動

69、力學(xué)分析。</p><p><b>　?、墼敿毥Y(jié)構(gòu)</b></p><p>　　確定微夾鉗的詳細結(jié)構(gòu)，包括如何將電極線方便的引出，如何將整個裝置固定；確定鉗指指端情況（如如何絕緣）。</p><p><b>　　微夾鉗的初始構(gòu)型</b></p><p>　　本文設(shè)計的壓電微夾鉗是采用雙晶片驅(qū)動的，鉗

70、指為對稱懸臂梁結(jié)構(gòu)。壓電陶瓷的尺寸為2 mm×35 mm×0.2 mm，基板尺寸為2 mm×40 mm×0.2 mm。在一個基板兩側(cè)粘貼兩塊壓電陶瓷晶片。如圖2-1所示，在鉗指上加載如圖所示電壓，使壓電陶瓷晶片在驅(qū)動電壓的作用下，每片壓電陶瓷晶片的上下表面通電極性不同，晶片基于橫向逆壓電效應(yīng)而產(chǎn)生形變，使位于基板外側(cè)的壓電陶瓷晶片伸長，位于基板內(nèi)側(cè)的壓電陶瓷晶片縮短，從而使基板向內(nèi)產(chǎn)生彎曲形變，如

71、此，兩片基板同時相對向內(nèi)彎曲，便可對亞毫米級微小物體和零件進行夾取操作；當驅(qū)動電壓減小時，兩片基板同時恢復(fù)到初始狀態(tài)。因為結(jié)構(gòu)形式是上下對稱的，為了節(jié)省優(yōu)化分析時的計算量，只需對設(shè)計區(qū)域的一半進行優(yōu)化設(shè)計。</p><p>　　圖2-1 單個鉗指示意（左圖為加電壓方式，右圖為加電壓工作后產(chǎn)生的效果）</p><p>　　本文設(shè)計的雙晶片壓電微夾鉗，有兩個鉗指，四片壓電陶瓷晶片，八個電極，考

72、慮到電極數(shù)目較多，在結(jié)構(gòu)上加以優(yōu)化，從而保證在較小尺寸情況下正負電極之間不發(fā)生短路，即：將壓板作為壓電陶瓷晶片的正極，將兩個基板作為壓電陶瓷晶片的負極，在結(jié)構(gòu)上縮減為一個正電極和兩個負電極。具體的結(jié)構(gòu)形式見圖2-2。</p><p><b>　　圖2-2 夾鉗結(jié)構(gòu)</b></p><p><b>　　設(shè)計計算</b></p><

73、;p><b>　　有限元模型</b></p><p>　　本文所設(shè)計的壓電雙晶片微夾鉗所用的材料為：紫銅（作為基板），45號鋼（作為夾板）及壓電陶瓷晶片，其鉗指面積為40 mm×2 mm，基板和兩個壓電陶瓷片疊加的總厚度為0.7 mm。由于兩個鉗指在結(jié)構(gòu)上對稱，其在這兩個方向上的有限元模型以及靜、動態(tài)特性也相同，所以本文僅對其一個鉗指建立有限元模型并進行靜、動態(tài)特性分析。在建

74、微夾鉗的有限元模型時，為提高計算精度，兼顧計算速度，采用四邊元法劃分網(wǎng)格。如圖3-1所示，應(yīng)用壓電耦合場分析，根據(jù)實際工況，在其鉗指的根部內(nèi)側(cè)，與夾板相接處施加約束，并在晶片的各個面加上電壓。圖3-2為鉗指根部載荷及約束情況。 </p><p>　　圖3-1 單個鉗指加載荷及約束</p><p>　　圖3-2 鉗指根部載荷和約束</p><p><b>　

75、　靜力學(xué)分析</b></p><p>　　本文設(shè)計的壓電雙晶片微夾鉗的張合量為250 μm，即單個鉗指指端的位移變形量為125 μm。給單個微夾鉗鉗指施加從0 V到50 V、間隔為10 V的驅(qū)動電壓，其所產(chǎn)生的輸出位移同驅(qū)動電壓之間成線性關(guān)系，如圖3-3。</p><p>　　圖3-3 驅(qū)動電壓和鉗指指端位移的關(guān)系</p><p>　　當驅(qū)動電壓為50

76、V的時候，得到所需的輸出位移，如圖3-4。</p><p>　　圖3-4 驅(qū)動電壓為50 V時，鉗指的輸出位移</p><p>　　根據(jù)圖3-3、圖3-4，可得到微夾鉗張合量同驅(qū)動電壓的關(guān)系為：S=5U（S為張合量，單位μm，U為驅(qū)動電壓，單位為V，且U≤50V）。</p><p>　　為得出鉗指張合量和加持力的關(guān)系，給微夾鉗鉗指指端施加從0 N到0.5 N、間隔為

77、0.1 N的力，其鉗指指端所產(chǎn)生的位移量同力之間成線性關(guān)系，如圖3-5。</p><p>　　圖3-5 力和鉗指指端位移量的關(guān)系</p><p>　　故當在指端施加0.3125 N的力的時候，鉗指指端位移達到所需的125 μm，如圖3-6。</p><p>　　圖3-6 指端施加0.3125 N的力時，鉗指的變形情況</p><p>　　根據(jù)

78、圖3-5、圖3-6，可得到微夾鉗的夾持力同張合量的關(guān)系為：F=0.0025S（F為驅(qū)動電壓，單位為N，且F≤0.625 N， S為張合量，單位為μm，）。</p><p>　　根據(jù)以上結(jié)果，可得到在驅(qū)動電壓為50 V的時候能得到最大夾持力0.625 N，假設(shè)鉗指指端與所夾物體之間的摩擦系數(shù)為?，則微夾鉗的最大夾持重量G=0.625/?，單位為N。</p><p><b>　　模態(tài)

79、分析及諧響分析</b></p><p>　　對本文所設(shè)計的微夾鉗進行模態(tài)分析，結(jié)果如圖3-7所示。其中，1階固有頻率別為鉗指在Z方向的震動時的固有頻率，2階固有頻率為鉗指在X方向震動的固有頻率，3階固有頻率為鉗指在Y方向震動的固有頻率，4，5，6階固有頻率分別為繞Z軸，X軸與Y軸旋轉(zhuǎn)時的固有頻率。由于微夾鉗實際工作時，在X、Y方向不受驅(qū)動，且鉗指繞X、Y、Z軸轉(zhuǎn)動對夾持效果無影響，所以這5個固有頻率可

80、以不必考慮。為獲得微夾鉗在Z軸方向上的頻率響應(yīng)特性，給微夾鉗施加頻率從0到5倍固有頻率即200 Hz、幅值為20 V的掃頻信號，分析結(jié)果如圖3-8所示。由該圖可知，通過頻率響應(yīng)分析所獲得的微夾鉗在其運動方向上的固有頻率約為50 Hz。</p><p><b>　　圖3-7 模態(tài)分析</b></p><p>　　圖3-8 Z方向諧響分析</p><

81、p><b>　　階躍響應(yīng)分析</b></p><p>　　為獲得微夾鉗的時域響應(yīng)特性，給微夾鉗施加10 V的階躍輸入電壓，如圖3-9所示微夾鉗達到穩(wěn)態(tài)值98%的相應(yīng)時間約為1.3 ms，響應(yīng)非常迅速。</p><p>　　圖3-9 時域響應(yīng)特性</p><p><b>　　微夾鉗的詳細結(jié)構(gòu)</b></p>

82、<p><b>　　微夾鉗的結(jié)構(gòu)組成</b></p><p>　　整個雙晶片壓電微夾鉗結(jié)構(gòu)由三部分組成：微夾鉗主體、夾鉗支架、夾鉗底板。具體見圖4-1。</p><p>　　圖4-1 微夾鉗整體視圖</p><p>　　微夾鉗主體的零件包括：基板（2片，紫銅）、基板（1塊，45號鋼）、電極片（2片，紫銅）、壓板（2塊，聚四氟乙烯）

83、、壓電陶瓷晶片（4片）。具體零件圖及相關(guān)三維圖見附錄，圖4-2為微夾鉗主體部分爆炸圖。</p><p>　　圖4-2 微夾鉗主體爆炸圖</p><p><b>　　微夾鉗主體結(jié)構(gòu)</b></p><p>　　對于微夾鉗主體部分，具體結(jié)構(gòu)如圖4-3，4-4所示。</p><p><b>　　圖4-3 主視圖<

84、;/b></p><p><b>　　圖4-4 剖視圖</b></p><p>　　如圖4-3，圖4-4所示，夾板2的一端伸出壓板1且為正電極引出端，夾板2的另一端的兩側(cè)設(shè)置有沿夾板中心線對稱的鉗指3，鉗指3包括基板31和粘貼在基板31兩側(cè)的壓電陶瓷晶片32，基板31與夾板2不接觸，其中位于內(nèi)側(cè)的壓電陶瓷晶片32與夾板2貼緊，位于外側(cè)的壓電陶瓷晶片32與壓板1之

85、間粘貼有正電極片4，正電極片4同時與夾板2貼緊，基板31上設(shè)置有伸出壓板1的負電極引出端310，基板31的前端為尖端，壓板1上設(shè)置有預(yù)緊螺釘5。</p><p><b>　　微夾鉗各部分細節(jié)</b></p><p>　　圖4-5為微夾鉗主體結(jié)構(gòu)三維圖。</p><p>　　圖4-5 微夾鉗主體</p><p>　　如圖4

86、-5所示，夾板A為正電極，基板B為負電極，AB電極分別連接上對應(yīng)的正、負電極線。</p><p>　　通過螺釘，將圖4-5所示的微夾鉗主體與夾鉗支架固定；同樣，通過螺釘，將夾鉗支架與底板固定，具體如圖4-6所示。</p><p><b>　　圖4-6 固定形式</b></p><p>　　為便于鉗指對物體進行操作，將鉗指末端制成如圖4-5所示的

87、的形式，且對微夾鉗鉗指指端進行加涂絕緣漆處理，以免微夾鉗在夾持導(dǎo)電物體時兩個鉗指導(dǎo)通而對所夾持物體產(chǎn)生破壞。</p><p><b>　　結(jié)論與展望</b></p><p><b>　　結(jié)論</b></p><p>　　本文首先確定了微夾鉗的總體結(jié)構(gòu)，然后根據(jù)逆壓電效應(yīng)，在ANSYS軟件中建立了有限元模型， 利用此有限元模

88、型，進行靜態(tài)分析和動態(tài)分析。在進行了有限元分析之后，確定了微夾鉗的各部分細節(jié)情況。</p><p>　　總結(jié)本文的工作，可得如下的結(jié)論：</p><p>　　一、在合適的電壓范圍內(nèi)，壓電陶瓷雙晶片懸臂梁結(jié)構(gòu)的變形情況，其電壓與變形成線形正比關(guān)系，在電壓不變的情況下，其指端夾持力與位移變形量成線形反比關(guān)系。</p><p>　　二、壓電陶瓷雙晶片懸臂梁雖擁有其固有頻率

89、，但當加載電壓頻率為0HZ時，其產(chǎn)生最大位移變形。</p><p><b>　　進一步工作展望</b></p><p>　　本文對雙晶片式壓電微夾鉗進行了相應(yīng)的理論研究，雖然取得了某些成果，但隨著認識的不斷加深，作者認為還應(yīng)開展以下幾方面的研究工作：</p><p>　　一、對微夾鉗鉗指不斷加大加載電壓，得到其極限電壓情況下的極限位移，研究其在

90、大電壓情況下，加載電壓與變形是否仍然成線形關(guān)系，是否存在突變情況。</p><p>　　二、在理論研究的基礎(chǔ)上，進行試驗研究，制作相應(yīng)的微夾鉗模型，對其進行試驗測試，比較理論研究結(jié)果和試驗研究的結(jié)果，確定理論與實際是否相同。</p><p>　　三、對微夾鉗加裝反饋裝置。如加裝相應(yīng)傳感器，得到實時的鉗指位移情況及受力情況，以便更好的控制微夾鉗的輸入電壓及相應(yīng)的張合量，以便能在實際工作中使用

91、得更加精確。</p><p>　　四、探尋合適的微夾鉗安裝裝置，比如安裝在合適的關(guān)節(jié)臂上能自由運動，將此實驗狀態(tài)的微夾鉗發(fā)展為能實際應(yīng)用的微操作手，使理論走入生產(chǎn)過程。</p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　孟中巖, 曹長江等.梯度功能壓電陶瓷微夾鉗的設(shè)計和操作原理[J]. 上海交通大學(xué)學(xué)報, 2002, 36(5)

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